Energie nulového bodu prázdného prostoru není nulová. Dokonce i se vší fyzikou, kterou známe, nemáme ponětí, jak vypočítat, co by to mělo být.

Jednou z nejzákladnějších otázek, které si můžeme o našem vesmíru samotném klást, je: “Co ho tvoří?” Po dlouhou dobu se odpověď zdála zřejmá: hmota a záření. Pozorujeme je ve velkém množství, všude a ve všech dobách naší kosmické historie. Po dobu nějakých ~100 let jsme si uvědomovali, že – v souladu s obecnou teorií relativity – se náš vesmír rozpíná a způsob, jakým se vesmír rozpíná, je určován všemi formami hmoty a záření v něm. Od té doby, co jsme si to uvědomili, jsme se snažili změřit, jak rychle se vesmír rozpíná a jak se tato expanze změnila v průběhu naší kosmické historie, protože znalost obojího by určovala obsah našeho vesmíru.

V roce 1990 se pozorování konečně stala dostatečně dobrými, aby odhalila odpověď: ano, vesmír obsahuje hmotu a záření, protože asi 30% vesmíru je tvořeno hmotou (normální a tmavá, dohromady) a asi ~0,01% je záření dnes. Ale překvapivě, asi 70% vesmíru není ani jedno z toho, ale spíše forma energie, která se chová, jako by byla vlastní vesmíru: temná energie. Způsob, jakým se tato temná energie chová, je totožný s tím, jak bychom očekávali, že se bude chovat kosmologická konstanta (v obecné teorii relativity) nebo energie nulového bodu prostoru (v kvantové teorii pole). Ale teoreticky je to absolutní noční můra. Zde je to, co by měl každý vědět.

Z kvantového hlediska si náš vesmír představujeme tak, že skutečné částice (kvanta) existují na vrcholu přediva časoprostoru a že na sebe vzájemně interagují prostřednictvím výměny (virtuálních) částic. Nakreslíme diagramy, které představují všechny možné interakce, které mohou nastat mezi částicemi – Feynmanovy diagramy – a pak vypočítáme, jak každý takový diagram přispívá k celkové interakci mezi dotyčnými vícenásobnými kvanty. Když sečteme diagramy ve zvyšujícím se pořadí složitosti — stromové diagramy, jednosmyčkové diagramy, dvousmyčkové diagramy atd. — dostáváme se ke stále bližším a bližším přiblížením naší skutečné fyzické realitě.

Existují však i další diagramy, které můžeme nakreslit: diagramy, které neodpovídají příchozím a odcházejícím částicím, ale diagramy, které představují “fluktuace pole”, ke kterým dochází v samotném prázdném prostoru. Stejně jako v případě reálných částic můžeme zapsat a vypočítat diagramy stále rostoucí složitosti a pak sečíst, co dostaneme, abychom aproximovali skutečnou hodnotu energie nulového bodu: nebo energie vlastní samotnému prázdnému prostoru.

Samozřejmě, že existuje skutečně nekonečné množství termínů, ale ať už vypočítáme první, prvních několik nebo několik prvních členů, zjistíme, že všechny dávají extrémně velké příspěvky: příspěvky, které jsou příliš velké na to, aby byly konzistentní s pozorovaným vesmírem o více než 120 řádů. (To znamená, že faktor vyšší než 10¹²⁰.)

Obecně platí, že kdykoli máte dvě velká čísla a vezmete jejich rozdíl, dostanete také další velké číslo. Představte si například čisté jmění dvou náhodných lidí na jednom ze světových seznamů “miliardářů”, osoby A a osoby B. Možná, že osoba A má hodnotu 3,8 miliardy dolarů a možná osoba B má hodnotu 1,6 miliardy dolarů, a proto rozdíl mezi nimi by byl ~ 2,2 miliardy dolarů: opravdu velké číslo. Můžete si představit scénář, kdy dva lidé, které jste náhodně vybrali, mají hodnotu téměř přesně stejné částky, ale tyto případy se obvykle vyskytují pouze tehdy, když mezi nimi existuje nějaký vztah: jako by spoluzaložili stejnou společnost nebo byli navzájem identickými dvojčaty.

Obecně platí, že pokud máte dvě čísla, která jsou obě velká, “A” a “B”, pak rozdíl mezi těmito čísly, | A – B|, bude také velký. Pouze pokud existuje nějaký druh důvodu – například základní symetrie nebo základní vztah mezi nimi nebo nějaký mechanismus, který je zodpovědný za to, že se tato dvě čísla téměř dokonale shodují – bude rozdíl mezi těmito čísly, | A – B|, se ukáže být velmi malé ve srovnání se samotnými “A” a “B”.

Alternativním vysvětlením je, že tato dvě čísla jsou opravdu velmi blízko sebe, ale zcela náhodně: něco, co je stále nepravděpodobnější, čím blíže jsou tyto dvě hodnoty k sobě.

Když se pokusíme pomocí kvantové teorie pole vypočítat očekávanou hodnotu energie nulového bodu prázdného prostoru, jednotlivé členy, které přispívají, tak činí s hodnotami, které jsou úměrné kombinaci základních konstant – √(§c/G) – umocněných na čtvrtou mocninu. Tato kombinace konstant je také známá jako Planckova hmotnost a má hodnotu, která je ekvivalentní ~10²⁸ eV (elektronvolty) energie, když si vzpomenete, že E = mc². Když tuto hodnotu zvýšíte na čtvrtou mocninu a udržíte ji z hlediska energie, dostanete hodnotu 10¹¹² eV⁴a získáte tuto hodnotu distribuovanou v určité oblasti prostoru.

Nyní, v našem skutečném vesmíru, měříme hustotu temné energie kosmologicky: odvozením toho, jakou hodnotu musí mít, aby dal vesmíru pozorované vlastnosti rozpínání. Rovnice, které používáme k popisu rozpínajícího se vesmíru, nám umožňují převést “energetickou hodnotu” shora na hustotu energie (energetickou hodnotu nad určitým objemem prostoru), kterou pak můžeme porovnat se skutečnou, pozorovanou hodnotou temné energie. Místo 10¹¹² eV⁴, dostaneme hodnotu, která je spíše 10^-10 nebo 10^-11 eV⁴, což odpovídá výše uvedenému nesouladu více než 120 řádů.

Autor: Stanislav Makovický, zdroj: bigthing.com, Titulní obrázek: (Kredit: Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons; anotace: E. Siegel), Ve vesmíru, kterému začne dominovat temná energie, existují čtyři oblasti: jedna, kde je vše v něm dosažitelné a pozorovatelné, jedna, kde je vše pozorovatelné, ale nedosažitelné, jedna, kde věci budou jednoho dne pozorovatelné, a druhá, kde věci nikdy pozorovatelné nebudou. Čísla odpovídají naší konsensuální kosmologii ze začátku roku 2023.